ARP地址解析协议

前言

    本文介绍ARP地址解析协议的主要流程及关键算法，tcp/ip协议详细信息请参考机械工业出版社出版的《TCP/IP详解》，本文部分图片摘自该书籍。

ARP协议介绍

介绍

    地址解析协议(ARP)用于实现IP地址到网络接口硬件地址的映射。

    链路层通信以MAC地址标识源及目标设备，ip数据包往其他设备发送时，需要经过链路层封装，因此我们需要知道目标设备的MAC地址，通过ARP协议即可用ip获取到目标设备的地址。

    (特别说明：目标设备的MAC地址并不一定就是ip地址对应的最终设备的MAC地址，而往往是下一跳的地址，因为在路由报文经过路由器时，路由器会对对报文中的MAC修改为自己的下一跳MAC地址。)

报文格式

IEEE 802.2/802.3（RFC 1042）和以太网的封装格式（RFC 894）

ARP协议实现

gratuitous ARP(免费ARP)

    网卡设备启动时发送一个gratuitous ARP请求自己的mac，检查是否在网络中存在相同的ip以及更新缓存arp路由信息，详细信息请参考http://baike.baidu.com/link?url=4XpOyapItBlRAwcS-uuR9guKo88Lx1epNNve9-KZM951vUVr6EETwFvxe-fsiRQr4xenzIRCio3RU9oS3nO_fGIe6jtqwUGLFY4nVKpVO6q。

ARP实现

查看并清除arp缓存

(此处操作不是必须的)

在Windows下以管理员权限使用arp -a查看arp缓存，arp -d清除所有arp，如下图所示：

arp请求

     (报文格式请参考1.1.2 IEEE 802.2/802.3（RFC 1042）和以太网的封装格式（RFC 894）)

     gratuitous ARP请求主要过程为：网卡上电 -> 发送ARP请求(填充源、目标设备ip地址，填充源mac地址，目标mac为0xffffffffffff) -> 发送到物理网卡，其函数调用栈如下：

    etharp_request第一个参数为当前网卡，该结构体绑定了网卡的ip相关信息及网卡收发函数，第二个参数为目标设备的ip地址，通过这两个参数的信息即可组装arp请求报文；

    low_level_output第一个参数为当前网卡，第二个参数为arp报文(pbuf实现请参考《TCP/IP详解》mbuf相关章节)。

    arp报文通过网卡直接发送到直连的交换机后，因为目标mac为广播地址0xffffffffffff，交换机将该报文网所有端口进行转发，这就会出现两种情况，当前设备接收到该报文，其他设备接收到该报文：

    其他设备接收到该报文时，如果ip地址有冲突(ip地址与发送设备ip地址相同)，则发送arp应答报文，不相同则添加到arp缓存或者更新arp表项过期时间为0(因为arp定时器在不断统计arp表项的过期时间，当过期时，会清除该表项)，arp更新及应答请参考“arp更新”、“arp应答”章节。

arp更新

    arp更新有三种情况：收到arp报文，收到ip报文，arp表项过期。

    收到arp报文时，判断该请求或者应答是否是发送给自己，如果是，则更新arp表项，如果不是发送给自己但是arp缓存中已经有对应ip的arp缓存，则同样更新arp表项；(不是发给自己的请求有两种情况，一是网卡没有配置ip，二是arp请求的目标ip不是自己的ip。)

    如果是发给自己的arp请求，则需要把自己的mac地址填充到arp应答报文中，并发送到网卡；如果是应答报文(自己应答自己的报文)或者不是发给自己的报文，则不处理。

    如果收到的是ip报文，判断目标ip是否是自己的，如果是，则更新arp表项，不是，则不处理，然后将报文交给网络层处理(以太网首部有可能在链路层丢弃，也可能在网络层丢弃，不同实现代码不一定相同)。

    arp表项过期删除请参考“arp更新定时器”章节。

    更新arp表项时，如果ip已经在arp缓存表中，则更新已经存在的，如果没有空闲的表项，则将最老的表项替换(最久没有更新的表项)。

arp应答

     arp报文处理函数调用栈如下所示：

     ethernetif_input主要用于接收网卡数据，并解析以太网报文首部，判断该报文是ip报文还是arp报文。

    如果是arp报文则调用etharp_arp_input进行处理，该函数既处理arp请求，也处理arp应答，同时更新arp表项，处理流程请参考上一节“arp更新”。



ARP更新定时器

介绍

    在上前面章节我们已经详细介绍了在接收到ip、arp报文时怎么更新arp表过期时间及状态；要是没有收到相关报文呢，假如arp缓存表中某设备已经不在了，或者dhcp租约时间过期并且更换了ip，因此，我们需要定时更新arp表。

arp表项状态转移

    arp表项无效时的状态为empty，发送arp请求时，更新状态为pending，收到ip、arp报文时，更新对应的状态为stable，pending、stable状态下的arp表项过期时，更新为empty状态。

arp更新定时器

    arp更新定时器实现比较简单，就是一个循环定时器，不断对stable、pending状态的arp表项过期时间进行累加，超过最大值时，更新为empty状态，该过期时间也可在没有可用arp表项时用来替换最老未更新的表项。

ARP其他说明

    通常我们发送ip报文时，目标ip对应的arp表项不一定存在，此时需要先通过arp协议获取目标设备的mac地址，在发送arp请求的同时，将ip报文保存在pending状态arp表项的附加字符，当该arp表项由pending变为stable时(即获取到目标设备的mac地址)，封装mac地址到arp表项附加字段并发送出去(对于tcp报文，我们就不需要等待tcp协议的超时重传了；对于无连接的udp协议，也不至于丢失udp报文)。